JP5437246B2 - 圧縮機制御の改良 - Google Patents

Description

本発明は圧縮機の改良に関し、特に、効率を最大限にする遠心圧縮機の制御方法の改良に関する。

圧縮機の動作特性は一般的には、圧縮比と体積流量率または質量流量率との間の関係により規定される。その実用的な動作範囲は理想的には回避されるべきサージ(surge)とチョーク(choke)、および最大許容圧縮機速度により限定される。

圧縮機サージは、吐出圧力が圧縮機内の圧力よりも大きくなるときに発生するので、空気流量はもはや圧縮機翼の吸込み側に付着することができず、吐出過程が遮断される。サージが発生している間、圧縮機を貫通する空気流量は正容積流量と一体な安定圧力比に達するまで反転する。通常流量は、圧力が再び高まりサイクルが繰り返すまでに再開する。

サージは遠心および他の動圧縮機の固有の特徴である。この不安定動作状態は、圧縮機に激しい振動および破損を引き起こし動作システムを破壊する。従って、圧縮機製造者は、サージを防止する制御および制御アルゴリズムを開発し、圧縮機の最も効率のよい段階がサージ線に近接するようにできる限りサージ線に近接して動作し、最大動作範囲を与えるように模索している。サージ線は、圧縮機システム供給圧力に対する圧縮機シャフト回転速度の計算プロファイルであり、サージサイクルに突入せずに圧縮機の運転を維持する負荷から無負荷への境界条件を提供する。

一度サージが検出されると、通常は、圧縮機を無負荷にして圧縮機に対する損害を防止するように実行する。サージを検出する従来技術の方法は、振動の検出、高温ガスの逆流を検出するため羽根車の上流温度の測定、および入口状態と動作状態に基づくサージ線の計算を包含する。

これら方法の主な不都合点は、一度サージが検出されると、圧縮機が停止され、再稼働させるためにオペレータの介入が必要なことである。

サージを回避する他の方法は、生じる可能性のある動作状態に基づき圧縮機動作の禁止範囲を設けることである。この提案の不都合は、圧縮機からの許容流量範囲が過度に限定され、その動作が最適化されないことである。

サージを回避する他の従来技術の方法は、圧縮機の処理能力をプロセス要求に一致させる一方で、システムを停止させる必要なくサージを防止するのに十分に総流量を高く維持する試みがなされている。制御側では、サージ防止システムが空気式最小流量制御装置と特別なアルゴリズムを備えた電子制御装置とを利用して設計されている。ある安定性制御アルゴリズムが米国特許第US-2005/0,076,656A号に記載されており、この安定性制御アルゴリズムは、検出される圧縮機の不安定性に応じて、可変形状拡散器(variable geometry diffuser)と高温ガスバイパスバルブを制御している。アルゴリズムは、検出するサージ状態に応じて拡散器内でリング(ring)の位置を較正する。

米国特許第4,464,720号には、所望の差圧を計算し、計算結果を実差圧と比較するアルゴリズムを利用する代案のサージ制御システムが記載されている。制御装置は、ブローオフバルブを操作して実差圧を計算差圧に回復させるために設けられている。

しかし、本発明の目的は、サージングにより引き起こされる問題を回避するため動圧縮機の動作を制御し、サージが発生するときに圧縮機の停止を必要とせずに効率を最適化する改良された方法を提供することである。

従って、本発明は、圧縮ガスを必要な供給圧力で提供するための遠心圧縮機の制御方法であって、
前記圧縮機は、能動型磁気軸受ユニットにより支持されたシャフトに設けられた羽根車を有し、必要とされる供給圧力のための計算プレサージ速度において、通常負荷状態での回転速度で変速モータにより駆動される遠心圧縮機の制御方法において、
前記計算プレサージ速度は、前記計算プレサージ速度を前記供給圧力と関連付ける圧縮機プレサージ速度線から選択され、
前記圧縮機の実回転速度と実供給圧力は、高頻度で繰り返し測定されて記録され、
前記圧縮機はプリセット再較正時間の後、周期的にサージすることを許可され、
前記圧縮機はサージが検出されるとサージ回復サイクルに移行され、その間に前記圧縮機が無負荷にされて前記回転速度が抑制され、
前記サージ回復サイクルの間に圧縮機プレサージ速度線が、現在の動作状態に対して再較正され、
シャフト速度が再較正プレサージ速度線または負荷速度に到達すると、前記圧縮機に再び負荷を掛け、前記負荷速度は前記圧縮機の最大速度を下回るが、圧縮機特性から決定される立ち上がり(run-up)サージを引き起こすであろう速度範囲を上回るように決定され、予め設定された値である遠心圧縮機の制御方法を提供する。

本発明は更に、能動型磁気軸受ユニットに支持されたシャフトに設けられた羽根車と、前記圧縮機を駆動する変速モータと、制御システムとを有する遠心圧縮機からなる圧縮機システムにおいて、
前記圧縮機の出口での圧縮空気の供給圧力と、前記圧縮機の回転速度を繰り返し測定し記録する手段と、
再較正時間を予め設定し、その後に前記圧縮機がサージサイクルに入ることを許可される手段と、
前記圧縮機の速度を低減または増加するため、前記モータに信号を伝送する手段と、
サージが検出される前記圧縮機をサージ回復サイクルに移行する手段と、
前述の方法に基づいて、圧縮機プレサージ線を再較正する手段と、
を備えた圧縮機システムを提供する。

遠心圧縮機への流量に対する供給圧力および従来技術形式の安全マージンを備えたサージ線を示すグラフである。 本発明の方法による動作過程を示すフローチャートである。 遠心圧縮機への供給圧力に対する回転速度およびその範囲内のプレサージ線を示すグラフである。

本発明は、一例として添付図面を参照しながら説明する。

圧縮機のサージ線は図１に示すように、供給圧力Ｐ_ｄと流量Ｑにより予め規定されている。供給圧力Ｐ_ｄは、圧縮機の出口で測定される圧縮空気の圧力である。任意の供給圧力Ｐ_ｄに対して、従来技術のシステムで使用される流量Ｑに対する動作範囲は、予測される全ての動作状態をカバーするように設計された安全マージン以下である。前述したように、これは特に、圧縮機効率がサージ線に近接して最適化されるときに理想的な動作範囲での損失に繋がる。

本発明の方法において、制御システムは圧縮機動作を制御するために使用され、従来技術のシステムと異なり定期的に圧縮機のサージサイクルを開始することを可能にする。それゆえ、所定の動作状態のセットに対するサージ点の予測に頼るよりはむしろ、実サージ点を現在の実動作状態に対して知り、これをプレサージ線を再較正する基準として使用し、圧縮機が現在の動作状態に対して最適な効力で動作することを可能にする。

これを達成するため、本発明は遠心圧縮機を駆動するため変速モータを利用し、その羽根車は能動型磁気軸受（ＡＭＢ）に支持されているシャフトに設けられている。変速モータの使用は、圧縮機速度を迅速に制御することができ、ＡＭＢにより、圧縮機がベアリングまたは圧縮機の任意の部分を損傷することなくサージを開始することを可能にする。シャフト位置はサージが発生した場合でさえもベアリングにより制御されたままであり、これにより本発明は実サージ点を使用しサージ時における周囲条件での任意の圧力に対する低い動作範囲を規定することができる。

本システムにおいて、初期プレサージ線は一般的な始動状態に基づいて計算される。プレサージ線は所定供給圧力でのプレサージ速度から較正され、プレサージ速度は現在の動的動作状態下で圧縮機がサージする速度よりも大きな計算速度である。

動作状態が変化するとプレサージ線は動き得るので、本発明の方法により圧縮機はサージすることができる。これにより、プレサージ線を現在の動作状態に対して再較正することができ、その動作を最適化する。サージが検出されると、圧縮機はサージ回復サイクルに入り圧縮機を停止する必要性が除去され、制御システムはプレサージ線を修正する。

プレサージ線の速度計算は以下の方程式に基づく。
Ｖ_ｓ＝ｍＰ_ｄ＋ｘ
ここで、
Ｖ_ｓ＝プレサージ速度（ｒｐｍ）
Ｐ_ｄ＝供給圧力（ｂａｒ）
ｍ＝圧縮機の特性により決定される傾き
ｘ＝速度マージンと較正されたプレサージ線により決定される変数

簡単な操作のため圧縮機は、全動作パラメータを表示するヒューマン・マシン・インターフェース（ＨＭＩ）が設けられ、これによりオペレータは所定の限度と圧縮機制御の動作モードを設定することができる。

図２を参照すると、圧縮機はアイドリングから負荷状態に至り、回転速度Ｖ_ｍが増加する。回転速度Ｖ_ｍが動的に計算されたプレサージ速度Ｖ_ｓ（図３参照）または負荷速度のどちらか大きい方を超えるとき、圧縮機に負荷が掛けられ、速度Ｖ_ｍはプレサージ線と交差せずに目標供給圧力Ｐ_ｄを提供するように制御される。

通常の動作状態では、供給圧力Ｐ_ｄはほぼ一定に保たれ、回転速度Ｖ_ｍが空気要求命令に応じて変化する。速度/圧力の動作点がプレサージ線に近接し交差し、また圧縮機がサージすれば、サージ回復サイクルを開始するＡＭＢユニットからの警報信号によりサージトリップ(surge trip)が起動される。このサージトリップは、圧縮機を無負荷にするバイパスバルブを起動し駆動モータに信号を送り、供給圧力Ｐ_ｄが予め設定した負荷圧力Ｐ_１よりも小さくなる時間まで回転速度Ｖ_ｍをアイドル状態まで減速する。この時点で、圧縮機回転速度Ｖ_ｍはプレサージ線または負荷速度のいずれか大きい方を超えるまで増加し圧縮機には再び負荷が掛かり、通常動作を再開する。プレサージ線はサージ回復サイクルの間に再較正され、このサージ回復サイクルは一般的には数秒間続き、生じ得るいずれの天候または動作状況の変化にも適応し、圧縮機動作を最適性能帯に起動し維持する。サージサイクルを予め設定された再較正時間Ｔの後に開始させることにより、プレサージ線の周期的な再較正を可能に機構が設けられている。再較正時間Ｔは、ＨＭＩを通じてオペレータにより予め設定することができる。再較正時間Ｔが終了すると、制御装置はＸ時間を較正することにより、プレサージ速度線を現在位置よりかなり以下にリセットする。これにより、圧縮機は、状況を左右する速度/圧力動作点が一般的な動作状態に従ってサージ領域に入ると、サージすることができる。

圧縮機制御システムは、実供給圧力Ｐ_ｄと、駆動ユニットにより測定される圧縮機のシャフトとロータの回転速度である実シャフト速度Ｖ_ａとを繰り返し記録し保存する。サージが発生しサージ回復サイクルが始まると、回転胴(rolling log)は一時的に動きを止める。サージ線の再較正は、動きの止まった胴からサージ発生前に部分的に記録された供給圧力Ｐ_ｄを選択することにより達成される。前述した公式にある変数ｘの既存値を使用して、理論プレサージ速度Ｖ_ｓが計算される。この値は、動きの止まった胴から測定供給圧力Ｐ_ｄと同じ時間枠で得られる実サージ速度Ｖ_ａから減ぜられる。この速度差（Ｖ_ｓ−Ｖ_ａ）は変数ｘの値を較正するのに使用され、ｘに新しい値を提供する。この変数ｘは現在の動作状態に適しており、プレサージ速度Ｖ_ｓのその後の計算に使用される。

負荷圧力Ｐ_１は、オペレータが設定する値である。供給圧力Ｐ_ｄが負荷圧力Ｐ_１以下に落ち込むと、プレサージ速度Ｖ_ｓの計算には、供給圧力Ｐ_ｄに代わって負荷圧力Ｐ_１が使用される。

圧縮機を制御するこの方法の有利な点は、圧縮機を天候とシステム状態の任意の組合せに対して十分な動作範囲にわたって使用できることである。プレサージ線が環境条件に対して動くように圧縮機動作の許容限度も動き、これにより圧縮機の全体エネルギー効率を最大にする。

圧縮機速度が初期に上昇している間にサージは生じるという出来事が生じ（これらは上昇サージとして公知である）、実サージ速度は理論プレサージ速度Ｖ_ｓよりも小さい。これは一般的に、いずれかの再較正がサージの気候条件に迎合するように行われる前の低温始動から、または再較正が差し迫り圧縮機が停止し、その後に再スタートするときに発生する。これらの状況において、変数ｘの低値が計算され、従ってプレサージ速度Ｖ_ｓを低減する。これにより、圧縮機は速度が上昇する(rump up)中により早く負荷が掛かる余地となり、より多くの上昇サージを引き起こすと思われる。

この問題を克服するため、圧縮機が始動すると回転速度が負荷速度またはプレサージ速度のいずれか大きい方よりも大きく、または等しくなるまで、圧縮機に負荷が掛かることを抑制される。負荷速度は圧縮機の最大速度以下であるが、上昇サージを引き起こすであろう速度範囲を超えるように決定される予め設定された値であり、圧縮機の特性から決定される。一度、圧縮機が負荷速度に達すると負荷の抑制は取り除かれ、圧縮機に負荷を掛けることができる。上昇サージが生じると、プレサージ線は最大シャフト回転速度以下の点まで上昇し、再較正時間Ｔは１分よりも小さな比較的小さい値にされる。これは、圧縮機の回転速度を圧縮機に負荷が掛かる前に大きな値に到達させることができる効果を有し、その次の上昇サージが抑えられ、再較正時間Ｔが終了すると次のサージでのプレサージ速度線の再較正を可能にする。このサージおよび再較正の後、圧縮機は負荷状態に戻り、また適切な時間の後、再較正時間が初期設定に戻される。

Claims (7)

1. 圧縮ガスを必要な供給圧力で提供するための遠心圧縮機の制御方法であって、
   前記圧縮機は、能動型磁気軸受ユニットにより支持されたシャフトに設けられた羽根車を有し、必要とされる供給圧力のための計算プレサージ速度において、通常負荷状態での回転速度で変速モータにより駆動される遠心圧縮機の制御方法において、
   前記計算プレサージ速度は、前記計算プレサージ速度を前記供給圧力と関連付ける圧縮機プレサージ速度線から選択され、
   前記圧縮機の実回転速度と実供給圧力は、高頻度で繰り返し測定されて記録され、
   前記圧縮機はプリセット再較正時間の後、周期的にサージすることを許可され、
   前記圧縮機はサージが検出されるとサージ回復サイクルに移行され、その間に前記圧縮機が無負荷にされて前記回転速度が抑制され、
   前記サージ回復サイクルの間に圧縮機プレサージ速度線が、現在の動作状態に対して再較正され、
   シャフト速度が再較正プレサージ速度線または負荷速度に到達すると、前記圧縮機に再び負荷を掛けることを特徴とする遠心圧縮機の制御方法。
2. 前記プレサージ線は、速度マージンを用いてプレサージ速度を計算することにより再較正され、
   前記速度マージンは、前記圧縮機がサージする直前の圧縮機の測定プレサージ回転速度と、測定プレサージ供給圧力に対して計算された計算プレサージ速度との間に差からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 所定供給圧力に対する前記プレサージ速度は、下記の公式を用いて計算され、
   Ｖｓ＝ｍＰｄ＋ｘ
   ここで、前記ｍは、前記圧縮機の動作特性により決定される傾きであり、
   前記ｘは、前記速度マージンを加えたプレサージ速度により決定される変数であり、個々のサージサイクルの後、前記速度マージンを加えることにより計算されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記圧縮機の回転速度は、能動型磁気軸受駆動ユニットにより測定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記測定供給圧力がプリセット負荷圧力よりも小さくなれば、その後の前記サージ線速度計算は前記供給圧力として前記負荷圧力を用いることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 最初に負荷が掛けられた後に前記圧縮機速度が増加する間にサージが発生すると、再較正時間が新しい値に設定されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 能動型磁気軸受ユニットに支持されたシャフトに設けられた羽根車と、前記圧縮機を駆動する変速モータと、制御システムとを有する遠心圧縮機からなる圧縮機システムにおいて、
   前記圧縮機の出口での圧縮空気の供給圧力と、前記圧縮機の回転速度を繰り返し測定し記録する手段と、
   再較正時間を予め設定し、その後に前記圧縮機がサージサイクルに入ることを許可される手段と、
   前記圧縮機の速度を低減または増加するため、前記モータに信号を伝送する手段と、
   サージが検出される前記圧縮機をサージ回復サイクルに移行する手段と、
   請求項１から６のいずれかに記載の方法に基づいて、圧縮機プレサージ線を再較正する手段と、
   を備えたことを特徴とする圧縮機システム。

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